Quando a água é exposta a temperaturas de vários milhares de graus Celsius e a pressões de milhões de atmosferas, ela sofre uma transformação dramática. Sob estas condições extremas, a água entra em um estado raro conhecido como água superiônica.
Esta fase incomum da água conduz eletricidade notavelmente bem, tornando-a uma forte candidata para explicar os estranhos campos magnéticos observados em torno dos planetas gigantes gelados. Acredita-se que Urano e Netuno retêm grandes quantidades de água nas profundezas de seus interiores, o que significa que a água superiônica pode ser a forma dominante de água em grande parte do Sistema Solar.
O antigo mistério da estrutura da água superiônica
Os cientistas já tinham conseguido criar água superiónica em experiências de laboratório, mas a sua estrutura interna era pouco compreendida. Estudos anteriores sugeriram que os átomos de oxigênio podem se organizar em um dos dois padrões cúbicos gerais. Estes incluíam um arranjo cúbico de corpo centrado, onde um átomo adicional fica no centro do cubo, ou um arranjo cúbico de face centrada, onde os átomos ocupam os centros de cada face.
Novas pesquisas mostram que a realidade é muito mais complexa. Em vez de formar um único padrão ordenado, os átomos de oxigênio são montados em uma estrutura mista que combina cubos de face centrada com camadas hexagonais compactas. Na região hexagonal, os átomos estão compactados em um padrão hexagonal repetido. Quando essas regiões se combinam com o segmento cúbico, o resultado é uma extensa desordem estrutural. Em vez de uma rede limpa e repetitiva, os átomos formam um arranjo híbrido e irregular que só pode ser detectado usando técnicas de medição altamente precisas, possibilitadas por avançados lasers de raios X.
Recriando extremos planetários em laboratório
Para descobrir esses detalhes, os pesquisadores realizaram dois experimentos separados. Um foi realizado no instrumento Matter in Extreme Conditions (MEC) no LCLS nos Estados Unidos, e o outro no instrumento HED-HIBEF no European XFEL. Estas poderosas instalações permitem aos cientistas pressurizar a água a mais de 1,5 milhões de atmosferas e aquecê-la a dezenas de milhares de graus Celsius, enquanto capturam instantâneos da sua estrutura atómica em trilionésimos de segundo.
Os resultados estão alinhados com as simulações computacionais mais avançadas e mostram que a água superiônica pode assumir múltiplas formas estruturais semelhantes ao gelo normal, que é conhecido por existir em diferentes fases cristalinas dependendo da temperatura e da pressão. O trabalho reforça a ideia de que a água – apesar da sua aparente simplicidade – continua a apresentar um comportamento inesperado e extraordinário em condições extremas. Estas descobertas ajudam a refinar os modelos da estrutura interna e da evolução a longo prazo dos planetas gigantes gelados, que se pensa serem comuns em todo o Universo.
*A água superiônica é um estado incomum da água que se forma sob pressões e temperaturas extremamente altas, muito mais altas do que as encontradas na superfície da Terra. Nesta fase, a água comporta-se como um sólido, mas os iões de hidrogénio podem mover-se livremente através de uma rede rígida de átomos de oxigénio. Esta combinação única dá à água superiônica a capacidade de conduzir eletricidade. Os cientistas acreditam que ela existe nas profundezas do planeta gigante, onde essas condições extremas ocorrem naturalmente.
A pesquisa foi apoiada por uma iniciativa conjunta entre a Fundação Alemã de Pesquisa (DFG) e a agência francesa de financiamento de pesquisa ANR. Mais de 60 cientistas da Europa e dos Estados Unidos contribuíram para as experiências e análises.
